摘  要：探討黃麻可降解阻燃汽車內(nèi)飾材料的制備工藝。采用針刺工藝和熱壓工藝制備了阻燃型黃麻/粘膠/PBAT/CMC可降解非織造材料，通過垂直燃燒測試、力學性能測試和掃描電鏡測試分別對其非織造膜材料進行表征。試驗探索出合適的阻燃劑及用量，并探究了材料的面密度、熱壓條件對阻燃型非織造材料力學性能的影響，并通過正交試驗得到熱壓成型的最優(yōu)工藝參數(shù)。結果表明：阻燃劑APP（低聚磷酸銨）阻燃效果基本不受熱壓條件影響，其用量為黃麻、粘膠、黏結劑總質量的12%時，材料阻燃等級達到V-0級別；且樣品組分為黃麻/粘膠/PBAT/CMC40/40/15/5、APP用量12%、面密度約170g/m2、熱壓條件為熱壓溫度150℃、壓強6MPa、熱壓時間5s時，得到樣品斷裂強力219.2N，斷裂伸長率2.4%。

關鍵詞：黃麻；PBAT；熱壓條件；阻燃；非織造

隨著人們生活品質的提高和可持續(xù)發(fā)展理念的全面落實，汽車用紡織品越來越要求綠色環(huán)?；?，由天然材料如麻纖維等制成的具有吸聲、阻燃或隔熱等功能性的氈、布、板等，也越來越受到消費者青睞^[1]。此外，汽車的消防安全也格外受消費者及生產(chǎn)廠家的重視，對汽車非金屬內(nèi)飾材料的阻燃研究也受到廣泛關注，且國內(nèi)企業(yè)標準對阻燃性能要求較高，具有一定的市場需求^[2]，如曹守萌以聚磷酸銨為阻燃劑，麻纖維和聚丙烯為原材料制備了阻燃型車用內(nèi)飾材料^[3]，但依然存在不可生物降解材料聚丙烯，棄用后對環(huán)境產(chǎn)生污染，因此可考慮選取可生物降解材料聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）等同麻纖維共同作用制備車用內(nèi)飾材料。

麻纖維中黃麻纖維價格低廉、強度高、耐磨性好，近年來其應用不斷被延伸，例如將黃麻纖維切短混入高聚物中，應用于汽車、建筑等領域^[4]，將黃麻非織造布或織物用作增強材料，提高高聚物的強力和降解性^[5]。聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯（PBAT）是可降解熱塑性材料^[6]，成本相較于其他生物可降解塑料低，有較好的延展性、斷裂伸長率、耐熱性和沖擊性能^[7]。羧甲基纖維素鈉（CMC）也具有良好的生物降解性，且水溶性好，可作黏結劑、增稠劑等^[8]。阻燃劑的選取考慮的是環(huán)保低毒無鹵阻燃劑硼酸/硼砂、低聚磷酸銨（APP），可直接作用于纖維素類材料，對纖維素類材料具有較好的親和性^[9]，因其分子量小也易被生物分解，硼酸/硼砂遇熱產(chǎn)生玻璃狀薄膜隔絕氧氣達到阻燃效果，低聚磷酸銨遇熱膨脹并生成非揮發(fā)性磷的氧化物來隔絕氧氣而實現(xiàn)阻燃^[10]。

為擴大對天然纖維的利用，滿足市場對可降解材料制備的功能性裝飾產(chǎn)品的需求，將黃麻通過非織造技術制備阻燃型膜材料，用作汽車頂棚、側圍的裝飾材料。后續(xù)通過加入不同種類及其不同含量的阻燃劑，對材料的阻燃性能進行測試分析，并探討阻燃劑對材料力學性能的影響，為后續(xù)該類材料在汽車內(nèi)飾、家居裝飾等領域的應用提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1試驗部分

1.1試驗材料及儀器

黃麻纖維由湖南南源新材料有限公司提供；PBAT粉末由中誠塑化有限公司提供，粉末細度為100目；粘膠纖維由張家港市錦花漂白纖維有限公司提供；CMC為化學純，由國藥集團化學試劑有限公司提供；阻燃劑硼酸/硼砂、APP均為工業(yè)級，由山東優(yōu)索化工科技有限公司提供。其中，黃麻及粘膠纖維參數(shù)如下所示。

纖維                    黃麻         粘膠

纖維線密度/dtex         32.3          2.0

纖維長度/mm                           51

斷裂強度/(cN·dtex-1)   3.35          2.41

斷裂強度CV值/%          35.60         9.21

斷裂伸長率/%            1.89          15.64

伸長率CV值/%            29.52         33.57

采用的設備包括FZS-600型單錫林雙道夫梳理機（常熟偉成非織造成套設備有限公司），F(xiàn)ZZ-1000型主針刺機（常熟偉成非織造成套設備有限公司），XLB-400×400×2型平板硫化機(上海齊才液壓機械有限公司)，YG815B型織物阻燃性能測試儀（寧波紡織儀器廠），YG141N型數(shù)字式織物厚度儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，HD026N型多功能織物強力機(溫州方圓儀器有限公司)，F(xiàn)A-1004型電子天平(上海天平儀器廠)。

1.2樣品制備

黃麻纖維強度高，但纖維剛性大，抱合性差，成網(wǎng)效果較差，而粘膠纖維細而柔軟，有助于提高黃麻和粘膠間的相互糾纏，試驗時在黃麻纖維中混入一定比例的粘膠纖維有利于成網(wǎng)。

黃麻非織造布制備：將黃麻原麻卷剪成長度為50mm的纖維，稱取一定量的黃麻和粘膠均勻混和（混比1:1），由梳理機梳理2道后成網(wǎng)，并在針刺機上針刺一道得到黃麻/粘膠非織造布（針刺密度150針/cm2，針刺深度8.9mm）。后續(xù)操作因黏結劑不同分別操作：當以CMC或CMC/PBAT復配作為黏結劑時，稱取一定比例的黏結劑、阻燃劑溶于水中形成CMC質量濃度為0.5g/L的液體或懸浮液，均勻噴灑于黃麻非織造布上，先于90℃烘箱環(huán)境中烘干至恒重，后經(jīng)過平板硫化機熱壓形成樣品；當PBAT作為黏結劑時，則可直接將PBAT粉末和阻燃劑粉末均勻撒在黃麻非織造布上，經(jīng)過平板硫化機熱壓形成樣品。

1.3測試與表征

1.3.1厚度測試

根據(jù)GB/T24218.2—2009《紡織品非織造布試驗方法第2部分：厚度的測定》，將制得的汽車內(nèi)飾非織造膜材料裁剪成10cm×10cm試樣，測試樣品厚度，讀取10次數(shù)據(jù)取平均值。

1.3.2面密度測試

剪取10cm×10cm試樣，將樣品置于溫度（25±2）℃、相對濕度（60±3）%、空氣循環(huán)流動的環(huán)境24h后稱重，計算得到樣品的面密度（g/m2）。

1.3.3力學性能測試

參照GB/T24218.3—2010《紡織品非織造布試驗方法第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，剪取試樣寬度50mm±0.5mm，隔距長度200mm，測試樣品的斷裂強力。

1.3.4垂直燃燒測試

參照GB/T5455—2014《紡織品燃燒性能垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間的測定》，取試樣寬度80mm±0.5mm，長度300mm，記錄樣品垂直方向損毀長度、陰燃和續(xù)燃時間。UL94燃燒等級判定：V-0級，火焰在10s內(nèi)熄滅，不能有燃燒物掉下；V-1級，火焰在30s內(nèi)熄滅，不能引燃30cm下方的藥棉；V-2級，火焰在30s內(nèi)熄滅，可以引燃30cm下方的藥棉；HB級，對于3mm~13mm厚的樣品要求燃燒速度小于40mm/min，而小于3mm厚的樣品要求燃燒速度小于70mm/min，或者在100mm的標志前熄滅。

2結果與討論

2.1黏結劑、阻燃劑種類對材料性能影響

不同黏結劑和阻燃劑所制試樣的垂直燃燒與斷裂強力測試結果如表1所示。各試樣中黃麻、粘膠、黏結劑用量占比分別為40%、40%、20%，阻燃劑用量以黃麻、粘膠、黏結劑總質量的20%作初步探究。需經(jīng)過平板硫化機熱壓時，熱壓條件為熱壓溫度140℃,熱壓時間15s，熱壓壓強5MPa。

表1 不同黏結劑、阻燃劑對材料性能的影響

在阻燃劑添加量為20%時，樣品均具有阻燃效果，即達到V-0級離火自熄的效果，后續(xù)為減少生產(chǎn)成本可探究阻燃劑的最少添加量。其中，當以APP為阻燃劑添加于材料中時，阻燃效果較好，無陰燃、續(xù)燃現(xiàn)象，與無阻燃劑的1號~4號樣品相比，斷裂強力略微降低，分別降低了3.4%、4.7%、5.0%、2.5%。當以硼酸和硼砂以1:1的比例復配添加于材料中時，燃燒后存在一定的陰燃時間，且樣品強力均有明顯降低，與無阻燃劑的1號~4號樣品相比，分別降低了16.3%、10.7%、12.6%、14.9%。出現(xiàn)這種情況一方面是因為麻纖維不耐酸，硼酸硼砂的加入對麻纖維的強力有所破壞，導致樣品的斷裂強力降低；另一方面是因為CMC溶液與硼酸接觸時，析出酸式CMC沉淀，降低了CMC的黏結作用。因此阻燃劑選擇低聚磷酸銨（APP）最合適。

在無阻燃劑的1號~4號樣品中，以CMC作為黏結劑的樣品斷裂強力遠高于以PBAT粉末作為黏結劑的樣品，但以CMC做為黏結劑的樣品質地相對硬脆，且樣品不耐水；而以PBAT作黏結劑的樣品經(jīng)過一定的溫度、時間、壓力作用后，具有一定的斷裂強力，且能耐水，但粉末難以均勻地分散在非織造布的表面，因此樣品成型不均勻；而當PBAT和CMC共同作用時，具有相對較好的強力，且樣品成型相對均勻，因此黏結劑選擇PBAT/CMC15/5相對合適。

2.2阻燃劑用量對材料性能影響

當黃麻/粘膠/PBAT/CMC為40/40/15/5，熱壓參數(shù)為溫度140℃、時間15s、壓力5MPa，面密度（不含APP）為140g/m2時，以阻燃劑APP用量為變量，探究阻燃劑用量對樣品性能的影響，其結果測試如表2所示。

表2 阻燃劑APP用量對材料性能的影響

當阻燃劑APP用量為12%時，材料具有阻燃效果，達到V-0級，離火不燃，當APP用量為8%時，樣品能持續(xù)緩慢燃燒殆盡，不能達到要求等級。對比6組試驗斷裂強力、斷裂伸長率變化不大，可驗證阻燃劑APP的加入對樣品斷裂強力、斷裂伸長率影響不大。另外，通過補充APP用量為10%和11%的試驗，發(fā)現(xiàn)其阻燃效果未能達到要求，因此采用12%APP作為阻燃劑的添加量進行后續(xù)試驗。但此條件下樣品斷裂強力不能達到GB/T35751—2017《汽車裝飾用非織造布及復合非織造布》要求，后可通過提高樣品面密度來提高斷裂強力。

2.3面密度對材料性能影響

當黃麻/粘膠/PBAT/CMC為40/40/15/5，APP用量為12%，熱壓參數(shù)為溫度140℃、時間15s、壓強5MPa時，通過梳理機黃麻和粘膠的喂入量控制針刺布的面密度來控制材料成型最終面密度，探究材料成型后的不同面密度對材料強力的影響，測試結果如表3所示。

表3 不同面密度對材料強力的影響

由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，材料面密度越大，斷裂強力越大，對比3和4兩組試驗預估，當面密度約為170g/m2時，斷裂強力約為200N，另補充面密度為174.1g/m2的試驗發(fā)現(xiàn)斷裂強力為202.7N，勉強符合GB/T35751—2017，后續(xù)試驗可依據(jù)此面密度來試驗。

2.4熱壓工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.4.1單因素探究

當黃麻/粘膠/PBAT/CMC為40/40/15/5，阻燃劑APP用量為12%時，通過梳理機黃麻和粘膠的喂入量控制針刺布的面密度為120g/m2左右時，后續(xù)添加一定比例黏結劑和阻燃劑可使材料成型的最終面密度為170g/m2左右。分別探究不同熱壓溫度、壓強、熱壓時間對樣品性能的影響，結果如表4、表5、表6所示。表4中壓強為5MPa、熱壓時間為15s；表5中熱壓溫度為140℃、熱壓時間為15s；表6中熱壓溫度為140℃、壓強為5MPa。

表4 熱壓溫度變化對材料性能的影響

表5壓強變化對材料性能的影響

表6熱壓時間變化對材料性能的影響

由單因素試驗初步探究發(fā)現(xiàn)所有樣品阻燃等級均為V-0級，可達到最佳阻燃效果，說明APP阻燃劑的阻燃效果不受熱壓條件變化的影響。但熱壓條件對材料力學性能影響較大，由表4可知，斷裂強力在熱壓溫度為150℃時存在一個峰值，這可能因為在120℃~150℃范圍內(nèi)，熱壓溫度越高，PBAT熔融更充分，使樣品斷裂強力高，從而在150℃附近時達到頂峰，在150℃之后，因溫度過高，對黏結劑CMC損傷較大，從而導致樣品斷裂強力開始降低。由表5、表6可知，熱壓壓強和熱壓時間對力學性能影響的變化趨勢相似，壓強越大、時間越長，樣品的斷裂強力也相對越高，斷裂伸長率相對越小。這是因為壓強越大，熔融狀態(tài)PBAT流速越大，熱壓時間越長，PBAT與纖維接觸越充分，使樣品斷裂強力越高。

該阻燃型非織造材料用作汽車側壁、頂棚等內(nèi)飾膜材料時，除良好的阻燃性能外，應還有良好力學性能，可依據(jù)單因素結果探究力學性能的熱壓工藝參數(shù)優(yōu)化，以提高材料力學性能。

2.4.2正交試驗

熱壓工藝對APP的阻燃效果無影響，但對樣品斷裂強力影響較大，故本次以樣品斷裂強力為分析指標，采用L9(34)正交試驗，進行熱壓工藝參數(shù)的優(yōu)化。因熱壓壓強及熱壓時間受生產(chǎn)要求限制，結合單因素分析選取試驗因素及水平，結果見表7。方差分析見表8。其中“∗”表示影響顯著。

表7 正交試驗結果及直觀分析

根據(jù)表7中的極差分析可知，各因素對斷裂強力的影響有大到小依次為熱壓溫度A、壓強B、熱壓時間C，且最優(yōu)方案為A2B3C3，即熱壓溫度150℃、壓強6MPa、熱壓時間15s。

表8 方差分析表

通過F檢驗進行顯著性檢驗，F(xiàn)值越大，處理效果越明顯，由表8中的方差分析可知，在顯著性水平α=0.05下，即Fα=0.05（2，2）=19.000，熱壓溫度、壓強的F值大于Fα=0.05（2，2），熱壓時間的F值小于Fα=0.05（2，2），說明熱壓溫度、壓強對樣品斷裂強力的影響是顯著的，熱壓時間對樣品斷裂強力的影響并不顯著。因此，從節(jié)約能源以及生產(chǎn)成本角度考慮，可適當縮短熱壓時間，得到綜合最優(yōu)方案為A2B3C1。

2.4.3驗證試驗

根據(jù)上述試驗結果與分析，取直觀分析所得最優(yōu)方案A2B3C3和方法分析所得綜合最優(yōu)方案A2B3C1，正交試驗方案中選取斷裂強力次優(yōu)的試驗方案(試驗號分別為5、9)作為對照組，制備成分為黃麻/粘膠/PBAT/CMC40/40/15/5的阻燃材料，測試力學性能并進行比較，結果見表9。

表9熱壓工藝參數(shù)驗證試驗結果

由表9可知，A2B3C3方案所得樣品斷裂強力略高于A2B3C1方案，但A2B3C1方案斷裂強力已符合市場標準，方便實際生產(chǎn)，提高效率，故選擇時間更短的方案A2B3C1為最優(yōu)熱壓工藝參數(shù)。

2.5微觀形貌觀察

將黃麻/粘膠/PBAT/CMC40/40/15/5、APP用量12%的樣品（熱壓溫度150℃、壓強5MPa、時間5s），在電子掃描顯微鏡放大120倍后拍攝，如圖1所示。

圖1樣品的微觀形貌圖

樣品通過電子掃描顯微鏡放大120倍后，可以觀察到在纖維與纖維的交纏點處有PBAT和CMC的黏結作用，但依然能看到部分PBAT顆粒黏附在單根纖維上而沒有起到很好的黏結作用，這可能是麻非織造布孔隙率較大，PBAT粉末和纖維接觸面積小，噴灑PBAT粉末分布不勻而導致的結果。而CMC由于是水溶性的，噴灑時能均勻分布于麻非織造布中，讓纖維與纖維之間產(chǎn)生了線接觸，因而其利用率較高。APP因溶于水也均勻地分散在溶液中，與CMC充分混合，噴灑于非織造布上烘干、熱壓后，與纖維接觸較為充分而達到阻燃效果。

3結論

選取黃麻、粘膠為原料，PBAT、CMC為黏結劑，低聚磷酸銨為阻燃劑，采用非織造成型技術和熱壓的方法制成麻非織造膜，探究發(fā)現(xiàn)當各組分占比分別為黃麻/粘膠/PBAT/CMC40/40/15/5、APP用量12%、面密度約170g/m2時，樣品易成型，質地相對柔軟且具有一定的強力，阻燃等級可達到V-0，且阻燃劑不受熱壓條件的影響；后又通過單因素試驗探究，發(fā)現(xiàn)存在最佳熱壓溫度150℃,且壓強越大、熱壓時間越長，材料的斷裂強力也相對越高，斷裂伸長率相對越??；APP阻燃劑的阻燃效果基本不受熱壓條件變化的影響；并通過正交試驗得到最優(yōu)的熱壓條件：熱壓溫度150℃、壓強6MPa、熱壓時間5s，最終得到樣品斷裂強力219.2N，斷裂伸長率2.4%，阻燃等級V-0級。

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